JP2019164144A - Three-dimensional depth mapping using dynamic structured light - Google Patents

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Abstract

To provide an improved apparatus for generating a dynamic structured light pattern for optical tracking in a three-dimensional space.SOLUTION: The apparatus comprises an array of lasers, such as a VCSEL laser array, to project light in a pattern into a three-dimensional space; and one or more optical elements arranged in cells. The cells are aligned with subsets of the laser array, and each cell individually applies a modulation, in particular an intensity modulation, to light from one or more lasers in the subset, to provide a distinguishable and separately controllable part of the dynamic structured light pattern. A method of generating a structured light pattern is disclosed, in which light is provided from an array of lasers, and light is individually projected from subsets of the array of lasers to provide differentiated parts of the structured light pattern.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、構造化光を用いた三次元深度マッピングに関し、排他的ではないがより詳細には、コンピュータ等の装置に入力を与えるために追跡を行うシステムに関する。   The present invention relates to three-dimensional depth mapping using structured light, and more particularly, but not exclusively, to a system that performs tracking to provide input to a device such as a computer.

コンピュータ又は他の計算装置に入力を与えるための追跡は、コンピュータマウス等のユビキタステクノロジを含む。コンピュータの前の三次元被写界内でスタイラス及び指を追跡することも利用可能であり、追跡には視覚映像化、IR映像化、超音波等の様々な追跡技術を使用する。「追跡」という用語は、対象の位置及び動きをたどることを指すことができ、位置又は動きを算出するために追跡コンピュータにおいて受け取られる入力を処理することを含む。従って、コンピュータマウスの場合、追跡は動きを算出するためにマウスの出力を処理することを含み得る。視覚的にたどられる対象の場合、追跡という用語は、対象を捕捉する連続フレームの画像処理を含み得る。   Tracking to provide input to a computer or other computing device includes ubiquitous technologies such as a computer mouse. Tracking a stylus and finger within a three-dimensional field in front of a computer is also available, using various tracking techniques such as visual imaging, IR imaging, and ultrasound. The term “tracking” can refer to following the position and movement of an object and includes processing the input received at the tracking computer to calculate the position or movement. Thus, for a computer mouse, tracking can include processing the mouse output to calculate motion. For a visually followed object, the term tracking may include continuous frame image processing that captures the object.

画像化の1つの方法は、シーンを閲覧し、処理するために単純にカメラを使用する。カメラは、シーン内に配置される特定の印をたどることができ、又は画像化システムが指等の明確に認識可能な特徴を探すことができる。   One method of imaging simply uses a camera to view and process the scene. The camera can follow specific marks placed in the scene, or the imaging system can look for clearly recognizable features such as fingers.

そのような視覚的画像化の難点は、三次元領域が十分に照らされているという必要条件を含む。更に、追跡可能な唯一の特徴は事前に認識される特徴であり、特徴認識と組み合わせた動作追跡が正確な結果を与えない場合がある。   Such visual imaging difficulties include the requirement that the three-dimensional region is well illuminated. Furthermore, the only features that can be tracked are those that are recognized in advance, and motion tracking combined with feature recognition may not give accurate results.

上記の問題を克服するために、構造化光を用いた追跡が導入された。追跡を行う空間上に知られている画素パターンを投影する。そのパターンが衝突面上でどのように変形するのかにより、シーン内の対象の深度及び面情報を視覚システムが計算することができる。使用される典型的なパターンはグリッド又は水平バーである。様々な装置が、ジェスチャ認識及び3D深度マッピングを使用できるようにするために構造化光パターンを使用する。構造化光パターン送信機は、レーザ発光体及び回折光学素子(DOE:diffractive optical element)を含む。   To overcome the above problems, tracking with structured light has been introduced. A known pixel pattern is projected onto the space to be tracked. Depending on how the pattern deforms on the impact surface, the visual system can calculate the depth and surface information of the object in the scene. Typical patterns used are grids or horizontal bars. Various devices use structured light patterns to enable gesture recognition and 3D depth mapping. The structured light pattern transmitter includes a laser emitter and a diffractive optical element (DOE).

三次元形状の面上に狭帯域の光を投影することは、投光器の照明の線よりも他のパースペクティブ(perspectives)から歪んで見える照明の線が生成され、表面形状の正確な幾何学的再現に使用され得る。   Projecting narrowband light onto a three-dimensional surface produces a line of illumination that appears distorted from other perspectives than the line of illumination of the projector, resulting in an accurate geometric reproduction of the surface shape Can be used.

より速く、より汎用性のある方法は、多くのストライプ又は任意の縞からなるパターンを一度に投影することであり、それにより多数のサンプルを同時に取得できるようになる。異なる視点から見ると、対象の表面形状によりパターンが幾何学的に歪んで見える。   A faster and more versatile method is to project a pattern of many stripes or arbitrary stripes at once, thereby allowing multiple samples to be acquired simultaneously. From a different viewpoint, the pattern appears to be geometrically distorted depending on the surface shape of the object.

構造化光投影の他の多くの改変形態があり得るが、平行ストライプのパターンが広く使われている。ストライプの位置を変えることにより、対象の面に関する如何なる細部の3D座標も正確に取得できるようになる。   Although there can be many other variations of structured light projection, parallel stripe patterns are widely used. By changing the position of the stripes, any detail 3D coordinates about the surface of interest can be obtained accurately.

ストライプパターンを生成する1つの知られている方法は、2つの広い平面のレーザビームフロントを利用するレーザ干渉法である。ビームフロント間の干渉が規則的で等距離の線パターンをもたらす。それらのビーム間の角度を変えることにより、様々なパターンサイズを得ることができる。この方法は、被写界深度の制限なしに非常に細かいパターンを正確且つ容易に生成できるようにする。欠点は、実装費用が高価であること、ビームの理想的な幾何学的形状を提供する難しさ、並びにスペックル雑音及び対象から反射されるビーム部分とのあり得る自己干渉等のレーザに特有の作用である。更に、グレイコードによって等、個々のストライプを変調する手段がない。   One known method of generating a stripe pattern is laser interferometry that utilizes two wide planar laser beam fronts. Interference between the beam fronts results in a regular and equidistant line pattern. Various pattern sizes can be obtained by changing the angle between the beams. This method makes it possible to generate a very fine pattern accurately and easily without limitation of depth of field. Disadvantages are inherent in lasers such as high implementation costs, difficulty in providing the ideal geometry of the beam, and possible self-interference with speckle noise and the portion of the beam reflected from the object. Is the action. Furthermore, there is no means to modulate individual stripes, such as by Gray code.

とりわけ、端面発光レーザダイオード等の単一源の発光体を使用する欠点は、単一源の発光体が作り出す光パターンが単一の構成単位としてしか制御できないことである。つまり、光パターンは完全にオンにし、完全にオフにし、又は調光することができるが、動的に変えることはできない。   In particular, the disadvantage of using a single source emitter such as an edge emitting laser diode is that the light pattern produced by the single source emitter can only be controlled as a single building block. That is, the light pattern can be turned on completely, turned off completely, or dimmed, but cannot be changed dynamically.

構造化光パターンはIR光等の不可視光を使用して構築することができる。或いは、高フレームレートが構造化光を利用者の感知できなくし、又はコンピュータの他の視対象との干渉を回避することができる。   The structured light pattern can be constructed using invisible light such as IR light. Alternatively, the high frame rate can make the structured light insensitive to the user or avoid interference with other viewing objects of the computer.

面発光レーザ、即ちVCSELは、ウェハから個々のチップを切り出すことによって形成される面から発光する従来の端面発光半導体レーザとは対照的に、レーザビームの発光が上面から垂直である半導体レーザダイオードの一種である。   Surface emitting lasers, or VCSELs, are semiconductor laser diodes in which the emission of the laser beam is perpendicular to the top surface, as opposed to conventional edge emitting semiconductor lasers that emit light from the surface formed by cutting individual chips from the wafer. It is a kind.

端面発光レーザとは対照的に、VCSELを作る幾つかの利点がある。端面発光体は製造工程が終わるまで検査することができない。端面発光体が接触不良又は低質の材料成長によって適切に機能しない場合、製造時間及び処理材料が無駄になる。VCSELであれば、材料品質及び処理上の問題がないかどうかを工程にわたる幾つかの段階で検査することができる。例えばエッチング中に誘電材料からバイアスが完全に除去されていない場合、一時的な検査工程を使用して一番上の金属層が最初の金属層と接触していないことを判定することができる。加えて、VCSELはビームをレーザの活性領域に対して垂直に放つため、76.2mm(3インチ)のガリウムヒ素ウェハ上で何万ものVCSELを同時に処理することができる。更に、VCSELの製造工程にはより多くの労力及び材料を要するが、歩留まりをより予測できる結果に管理することができる。   In contrast to edge emitting lasers, there are several advantages of making a VCSEL. The edge emitter cannot be inspected until the manufacturing process is complete. If the edge emitters do not function properly due to poor contact or poor material growth, manufacturing time and processing materials are wasted. A VCSEL can be inspected at several stages throughout the process for material quality and processing problems. For example, if the bias is not completely removed from the dielectric material during etching, a temporary inspection process can be used to determine that the top metal layer is not in contact with the first metal layer. In addition, because the VCSEL emits a beam perpendicular to the active region of the laser, tens of thousands of VCSELs can be processed simultaneously on a 76.2 mm (3 inch) gallium arsenide wafer. Further, the VCSEL manufacturing process requires more labor and materials, but the yield can be managed to be a more predictable result.

構造化光システムにVCSELレーザアレイを使用することには著しい利点があり、それはかかるアレイを使用することで構造化光送信機を小さくできるからである。このように小さくすることは、携帯電話又はウェアラブルデバイス等の大きさの制約がある装置の中に送信機を埋め込むのにとりわけ重要である。   There are significant advantages to using a VCSEL laser array in a structured optical system, because the structured optical transmitter can be made smaller by using such an array. Such a reduction is particularly important for embedding a transmitter in a size-constrained device such as a mobile phone or wearable device.

しかし、上記の利点にもかかわらず、VCSELアレイは幾つかの理由から構造化光走査システムに現在使用されていない。多くの回折パターンは、高分解能の追跡に必要な高密度のパターンを作り出すためにコヒーレントなガウシアン形状のビームを必要とする。VCSELアレイは、隣同士に位置し、通常それらの間に重複がある複数の個々のガウスビームを提供するに過ぎない。複数の点及びそれらの間の重複は、光パターン内の高密度領域における検出性能を低下させ、既定のガウスビームを必要とする様々な回折設計技法の使用を制限する。かかる設計は、トップハット設計、ホモジニアスラインジェネレータ(Homogeneous line generator)、及び他の複雑な高性能構造を含む。   However, despite the above advantages, VCSEL arrays are not currently used in structured optical scanning systems for several reasons. Many diffraction patterns require a coherent Gaussian shaped beam to create the dense pattern required for high resolution tracking. VCSEL arrays only provide a plurality of individual Gaussian beams that are located next to each other, usually with overlap between them. Multiple points and the overlap between them degrades detection performance in high density regions within the light pattern and limits the use of various diffractive design techniques that require a predetermined Gaussian beam. Such designs include top hat designs, homogeneous line generators, and other complex high performance structures.

実際に、標準的な回折設計の問題は、全VCSELレーザアレイが単一光源として使用されることである。従って、多重スポット設計を使用する場合、焦点が合ったガウスビームを有する代わりに、スポットごとにアレイ画像が取得される。入力としてガウスビームを必要とする回折設計は所要の出力を全く得ることがない。高密度の光パターンでは問題がより深刻になり、それはそれらの光パターンでは特徴を分けるためにソースビームの焦点を小さなスポット上に合わせる必要があり、光源がレーザアレイである場合はそれができないからである。   In fact, the problem with standard diffractive designs is that the entire VCSEL laser array is used as a single light source. Therefore, when using a multi-spot design, an array image is acquired for each spot instead of having a focused Gaussian beam. A diffractive design that requires a Gaussian beam as input does not provide the required output at all. The problem is more severe with high-density light patterns because they require the source beam to be focused on a small spot to separate the features, which cannot be done if the light source is a laser array. It is.

本実施形態は、アレイのレーザが個々に又はグループ単位で変調されるVCSELレーザアレイを提供する。必要に応じて構造化光パターンを提供し、且つそれを変えるために、個々のレーザ又はグループを静的に又は動的に変調することができる。   This embodiment provides a VCSEL laser array in which the lasers of the array are modulated individually or in groups. Individual lasers or groups can be modulated statically or dynamically to provide and change the structured light pattern as needed.

従って、アレイ内の各レーザ又は一緒にモデレートされる(moderated)レーザ群が、独自の光学素子、典型的には回折素子を備える。全体的な構造化光パターンが、所与の状況のために選択され得るように且つ/又は関心領域を動的にたどることができるように回折素子を個々に制御することができる。   Thus, each laser in the array or group of lasers moderated together comprises its own optical element, typically a diffractive element. The diffractive elements can be individually controlled so that an overall structured light pattern can be selected for a given situation and / or the region of interest can be traced dynamically.

本発明の第1の態様によれば、
パターン状の光を三次元空間内に投影するように構成されるレーザアレイと、
複数の光学素子であって、個々の光学素子がセルを画定し、セルがレーザアレイの個々の部分集合と整列され、各セルの光学素子が、個々の部分集合から光学素子を通過する光に対して個々に変調を加えて構造化光パターンの区別可能な部分を提供する、複数の光学素子と
を備える、構造化光パターンを生成するための装置が提供される。
According to a first aspect of the invention,
A laser array configured to project patterned light into a three-dimensional space;
A plurality of optical elements, wherein each optical element defines a cell, the cell is aligned with an individual subset of the laser array, and the optical element of each cell converts light from the individual subset through the optical element. There is provided an apparatus for generating a structured light pattern comprising a plurality of optical elements that are individually modulated to provide a distinguishable portion of the structured light pattern.

一実施形態では、光変調が、回折変調、屈折変調、及び回折変調と屈折変調との組合せのうちの何れかである。
一実施形態では、個々のセルを構成する光学素子及びレーザアレイの部分集合が単一の成形体から構築される。
In one embodiment, the light modulation is any of diffractive modulation, refractive modulation, and a combination of diffractive and refractive modulation.
In one embodiment, a subset of the optical elements and laser arrays that make up the individual cells are constructed from a single shaped body.

一実施形態では、セルの幅が1mm以下である。
一実施形態では、光学素子の幅が1mm以下である。
一実施形態では、回折変調を変更するようにセルが個々に制御可能である。
In one embodiment, the width of the cell is 1 mm or less.
In one embodiment, the width of the optical element is 1 mm or less.
In one embodiment, the cells can be individually controlled to change the diffractive modulation.

一実施形態では、少なくとも1つの捕捉フレームを受け取って解析することに基づいて構造化光パターンの変更をもたらすようにセルが動的に制御可能であり、フレームは二次元レイアウト内の複数の画素を含む。   In one embodiment, the cell is dynamically controllable to effect a change in the structured light pattern based on receiving and analyzing at least one capture frame, the frame comprising a plurality of pixels in a two-dimensional layout. Including.

一実施形態では、セルが構造化光パターン内の位置決めに関して、及び光に適用される形状に関して更に制御可能である。
一実施形態では、動的制御が、シーンの一部に構造化光パターンの高い分解能を適用して、シーンの他の部分に構造化光パターンの低い分解能を適用するように構成可能である。
In one embodiment, the cell is further controllable with respect to positioning within the structured light pattern and with respect to the shape applied to the light.
In one embodiment, the dynamic control can be configured to apply a high resolution of the structured light pattern to a part of the scene and apply a low resolution of the structured light pattern to another part of the scene.

一実施形態では、構造化光パターンの動的変更が、構造化光パターンの向きの変更を含む。
一実施形態では、構造化光パターンの動的変更がセルに関する変更を含む。
In one embodiment, the dynamic change of the structured light pattern includes a change in the orientation of the structured light pattern.
In one embodiment, the dynamic change of the structured light pattern includes a change for the cell.

一実施形態では、変更、強度の変更、偏光の変更、フィルタリングパラメータの変更、及び焦点の変更の何れかである。
一実施形態では、部分集合が、個々のレーザ、レーザの対、レーザの三つ組、異なる大きさのレーザの組合せ、及び動的に変化するレーザの組合せの何れかである。
In one embodiment, any of a change, a change in intensity, a change in polarization, a change in filtering parameters, and a change in focus.
In one embodiment, the subset is either an individual laser, a laser pair, a laser triplet, a combination of lasers of different sizes, and a combination of dynamically changing lasers.

一実施形態では、個々の部分集合から投影される光がタイル化される(tiled)か、又は重複される。
一実施形態では、レーザアレイがVCSELレーザアレイを含む。
In one embodiment, light projected from individual subsets is tiled or overlapped.
In one embodiment, the laser array includes a VCSEL laser array.

一実施形態では、レーザアレイがレーザバーを含む。
装置は、コンピュータ、ラップトップコンピュータ、移動通信装置、タブレット装置、ゲーム機、及び動き捕捉装置のうちの何れかに組み込むことができる。
In one embodiment, the laser array includes laser bars.
The device can be incorporated into any of a computer, laptop computer, mobile communication device, tablet device, game console, and motion capture device.

装置は、三次元シーンを追跡するために使用することができる。
本発明の第2の態様によれば、三次元追跡用の構造化光パターンを生成する方法が提供され、この方法は、
レーザアレイから光を与えるステップと、
レーザアレイの部分集合から個々に光を投影して、構造化光パターンの分化部分を提供するステップと
を含む。
The device can be used to track a 3D scene.
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for generating a structured light pattern for three-dimensional tracking, the method comprising:
Providing light from a laser array;
Projecting light individually from a subset of the laser array to provide differentiated portions of the structured light pattern.

本発明の第3の態様によれば、
パターン状の光を三次元空間内に投影するように構成されるレーザアレイと、
複数の光学素子セルであって、セルはレーザアレイの個々の部分集合と整列され、各セルが、個々の部分集合から素子を通過する光に対して強度変調を個々に加えて構造化光パターンの区別可能な部分を提供する、複数の光学素子セルと
を含む、構造化光パターンを生成するための装置が提供される。
According to a third aspect of the invention,
A laser array configured to project patterned light into a three-dimensional space;
A plurality of optical element cells, wherein the cells are aligned with individual subsets of the laser array, each cell individually applying intensity modulation to light passing through the element from the individual subsets. An apparatus for generating a structured light pattern is provided that includes a plurality of optical element cells that provide differentiable portions.

別段の定めがなければ、本明細書で使用する全ての専門用語及び/又は科学用語は、本発明が関係する技術分野の当業者が一般に理解するのと同じ意味を有する。本発明の実施形態を実践し又は試験する際、本明細書に記載するのと同様の又は均等な方法及び材料を使用することができるが、例示的方法及び/又は材料を以下に記載する。矛盾がある場合、定義を含む本特許明細書が優先する。更に、材料、方法、及び例は例示に過ぎず、必ずしも限定的であることを意図しない。   Unless defined otherwise, all technical and / or scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention relates. Although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in practicing or testing embodiments of the present invention, exemplary methods and / or materials are described below. In case of conflict, the patent specification, including definitions, will control. In addition, the materials, methods, and examples are illustrative only and not necessarily intended to be limiting.

本発明の実施形態の方法及び/又はシステムの実装形態は、選択されたタスクを手動で、自動で、又はその組合せによって実行し若しくは完了することを含み得る。更に、本発明の方法及び/又はシステムの実施形態の実際の器具及び装置によれば、幾つかの選択されたタスクがハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの組合せによってオペレーティングシステムを使用して実施され得る。   Implementations of the methods and / or systems of embodiments of the present invention may include performing or completing selected tasks manually, automatically, or a combination thereof. Moreover, according to the actual apparatus and apparatus of the method and / or system embodiments of the present invention, some selected tasks are performed using the operating system by hardware, software, firmware, or combinations thereof. Can be done.

例えば、本発明の実施形態による選択されたタスクを実行するためのハードウェアは、チップ又は回路として実装することができる。ソフトウェアとしては、本発明の実施形態による選択されたタスクは、任意の適切なオペレーティングシステムを使用するコンピュータが実行する複数のソフトウェア命令として実装することができる。本発明の例示的実施形態では、本明細書に記載の方法及び/又はシステムの例示的実施形態による1つ又は複数のタスクが、複数の命令を実行するための計算プラットフォーム等のデータプロセッサによって実行される。任意選択的に、データプロセッサは、命令及び/若しくはデータを記憶するための揮発性メモリ、並びに/又は命令及び/若しくはデータを記憶するための不揮発性記憶域、例えば磁気ハードディスク及び/若しくはリムーバブルメディアを含む。任意選択的にネットワーク接続も提供される。ディスプレイ及び/又はキーボード又はマウス等のユーザ入力装置も任意選択的に提供される。   For example, the hardware for performing selected tasks according to embodiments of the present invention can be implemented as a chip or a circuit. As software, selected tasks according to embodiments of the present invention can be implemented as a plurality of software instructions that are executed by a computer using any suitable operating system. In an exemplary embodiment of the invention, one or more tasks according to exemplary embodiments of the methods and / or systems described herein are performed by a data processor such as a computing platform for executing multiple instructions. Is done. Optionally, the data processor comprises volatile memory for storing instructions and / or data, and / or non-volatile storage for storing instructions and / or data, such as a magnetic hard disk and / or removable media. Including. Optionally, a network connection is also provided. A display and / or user input device such as a keyboard or mouse is optionally provided.

本発明の幾つかの実施形態を添付図面に関して専ら例として本明細書で説明する。次に図面を具体的に詳しく参照し、図示の詳細は例であり、本発明の実施形態を例示的に解説するためのものであることを強調しておく。この点に関し、図面と共に説明を理解することにより、本発明の実施形態をどのように実践できるのかが当業者に明らかになる。   Several embodiments of the invention are described herein by way of example only with reference to the accompanying drawings. DETAILED DESCRIPTION Reference will now be made in detail to the drawings, and it should be emphasized that the illustrated details are examples and serve to illustrate embodiments of the invention by way of example. In this regard, it will become apparent to those skilled in the art how to practice the embodiments of the present invention by understanding the description in conjunction with the drawings.

本発明の一実施形態による構造化光発生装置の基本設定を示す単純化した概略図であり、個々のパターンを有する光学素子のセルはVCSELレーザアレイ内の特定のVCSELに対応する。FIG. 2 is a simplified schematic diagram illustrating the basic settings of a structured light generator according to an embodiment of the present invention, where a cell of optical elements having individual patterns corresponds to a particular VCSEL in a VCSEL laser array. 図1の実施形態の、及び光パターンの構築を示す単純化した概略図であり、各セルは全体的な構造化光パターンの部分的タイルを作り出す。FIG. 2 is a simplified schematic diagram of the embodiment of FIG. 1 and illustrating the construction of a light pattern, each cell creating a partial tile of the overall structured light pattern. 図1の実施形態の改変形態を示す概略図であり、各セルはVCSELレーザの三つ組からなる。FIG. 2 is a schematic diagram showing a modification of the embodiment of FIG. 1, wherein each cell consists of a triplet of VCSEL lasers. 図1の実施形態の改変形態を示す概略図であり、様々な光パターンが前述のように様々なセルパターンによって作られるが、セルが様々な大きさ及び向きからなる。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a variation of the embodiment of FIG. 1, where various light patterns are created by various cell patterns as described above, but the cells are of various sizes and orientations. 図1の実施形態の改変形態を示す概略図であり、様々な光パターンが前述のように様々なセルパターンによって作られ、個々のセルが、必ずしも分けられたタイル構造にまとめられない全体的な構造化パターンの様々な光の特徴を担う。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a variation of the embodiment of FIG. 1 in which various light patterns are created by various cell patterns as described above, and individual cells are not necessarily organized into separate tile structures. It bears various light features of the structured pattern. 本発明の実施形態による、カメラ及びプロセッサを有する追跡システムを示す概略図である。1 is a schematic diagram illustrating a tracking system having a camera and a processor, in accordance with an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、光学素子によって適用され得る様々な変調を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating various modulations that may be applied by an optical element, according to embodiments of the invention. 本発明の実施形態による、光学素子によるビームの配置又は方向変更を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing beam placement or direction change by an optical element according to an embodiment of the present invention. ビームの焦点を合わせるために本発明の光学素子を使用することを示す単純化した図面である。Fig. 6 is a simplified drawing illustrating the use of the optical element of the present invention to focus a beam. 本発明の一実施形態による、ビーム成形を行う光学素子を示す単純化した図面である。1 is a simplified diagram illustrating an optical element performing beam shaping according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による、焦点合わせ、ビームの方向付け、及びビーム成形を含む多段階光学素子を示す単純化した図面である。1 is a simplified diagram illustrating a multi-stage optical element including focusing, beam directing, and beam shaping according to one embodiment of the present invention. a及びbは、人差し指に対してストライプを使用する効果を示し、ストライプが指に平行な場合、ストライプの向きをどのように変更しなければならない可能性があるのかを示す。a and b show the effect of using a stripe on the index finger and show how the orientation of the stripe may have to be changed if the stripe is parallel to the finger. 本発明の実施形態による、この場合は垂直線と水平線との間でのパターンの動的変更を示す。In this case, according to an embodiment of the invention, a dynamic change of the pattern between the vertical and horizontal lines is shown. 本発明の実施形態による、広視野から狭視野へのパターンの動的変更を示す。Fig. 6 shows a dynamic change of a pattern from a wide field of view to a narrow field of view according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、低密度の線と高密度の線との間でのパターンの動的変更を示す。FIG. 6 shows a dynamic change of a pattern between a low density line and a high density line according to an embodiment of the present invention. FIG. 本発明の実施形態による、実線と断線からなる線との間でのパターンの動的変更を示す。Fig. 5 shows a dynamic change of a pattern between a solid line and a broken line according to an embodiment of the invention. 本発明の実施形態による、低強度の線と高強度の線との間でのパターンの動的変更を示す。Fig. 5 shows a dynamic change of a pattern between a low intensity line and a high intensity line according to an embodiment of the invention. 本発明の実施形態による、対象の暗さ又は明るさに応じた光強度の変更を示す。Fig. 4 illustrates a change in light intensity as a function of darkness or brightness of an object according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態による、フレーム解析後に行われるパターンの動的変更を示す単純化したフローチャートである。6 is a simplified flowchart illustrating dynamic pattern change performed after frame analysis according to an embodiment of the present invention.

本発明はその一部の実施形態で、構造化光を用いた三次元深度マッピングに関し、排他的ではないがより詳細には、コンピュータに入力を与えるために追跡を行うシステムに関する。   The present invention, in some embodiments, relates to three-dimensional depth mapping using structured light, and more specifically, but not exclusively, to a system that performs tracking to provide input to a computer.

同一譲受人への以下の出願を参照により本明細書に完全に記載されているかのように本明細書に援用し、その出願とは即ち、2010年9月19日に出願された米国特許出願第13/497,589号明細書、2012年9月13日に出願された国際公開第2013/088442号パンフレット、2014年1月13日に出願された米国仮特許出願第61/926,476号明細書、及び2014年8月10日に出願された米国仮特許出願第62/035,442号明細書である。   The following application to the same assignee is hereby incorporated by reference as if fully set forth herein, which is a US patent application filed on September 19, 2010: No. 13 / 497,589, International Publication No. 2013/088442 filed on September 13, 2012, US Provisional Patent Application No. 61 / 926,476 filed on January 13, 2014 And US Provisional Patent Application No. 62 / 035,442, filed August 10, 2014.

上記のように、様々な装置が、ジェスチャ認識及び3D深度マッピングを使用できるようにするために構造化光パターンを使用する。構造化光パターン送信機は、光源、例えばレーザ発光体及び回折光学素子(DOE)等の光学素子を含む。多くの回折設計は、高密度のパターンを作り出すためにコヒーレントなガウシアン形状のビームを必要とするため、VCSELレーザアレイを使用することが一般にできない。光学素子、例えばVCSELアレイは、重複を伴う複数のガウシアン形状のビームを作り出し、そのことは光パターン内の高密度領域における検出性能を低下させ、既定のガウスビームを必要とする様々な回折設計技法の使用を制限する。かかる設計は、トップハット設計、ホモジニアスラインジェネレータ、及び他の複雑な高性能構造を含む。   As described above, various devices use structured light patterns to enable gesture recognition and 3D depth mapping. The structured light pattern transmitter includes a light source, for example, an optical element such as a laser emitter and a diffractive optical element (DOE). Since many diffractive designs require a coherent Gaussian shaped beam to create a dense pattern, it is generally not possible to use VCSEL laser arrays. Optical elements, such as VCSEL arrays, produce multiple Gaussian shaped beams with overlap, which reduces detection performance in high density regions within the light pattern and various diffractive design techniques that require a predetermined Gaussian beam Limit the use of. Such designs include top hat designs, homogeneous line generators, and other complex high performance structures.

しかし、構造化光送信機を小さくするためにVCSELレーザアレイを使用する著しい利点がある。このように小さくすることは、携帯電話又はウェアラブルデバイス等の大きさの制約がある装置の中に送信機を埋め込むのにとりわけ重要である。   However, there are significant advantages to using a VCSEL laser array to reduce the structured optical transmitter. Such a reduction is particularly important for embedding a transmitter in a size-constrained device such as a mobile phone or wearable device.

従って本実施形態は、アレイのレーザが個々に又はグループ単位で変調されるVCSELレーザアレイを提供する。必要に応じて構造化光パターンを提供し、且つそれを変えるために、個々のレーザ又はグループを静的に又は動的に変調することができる。   Thus, this embodiment provides a VCSEL laser array in which the lasers of the array are modulated individually or in groups. Individual lasers or groups can be modulated statically or dynamically to provide and change the structured light pattern as needed.

アレイ内の各レーザ又は一緒にモデレートされるレーザ群が独自の光学素子、典型的には回折素子のセルを備える。以下でより詳細に説明するように、全体的な構造化光パターンが所与の状況のために選択され得るように且つ/又は関心領域を動的にたどることができるように、回折素子のセルを個々に制御してアレイの様々な部分において様々な光パターンをもたらすことができる。   Each laser or group of lasers moderated together in the array comprises a unique optical element, typically a cell of diffractive elements. As described in more detail below, the diffractive element cell so that the overall structured light pattern can be selected for a given situation and / or the region of interest can be traced dynamically. Can be individually controlled to provide different light patterns in different parts of the array.

典型的な構造は、ストライプ、グリッド、及びドットを含む。
先に述べたように、端面発光レーザダイオード等の単一源の発光体を使用する問題は、単一源の発光体が作り出す光パターンが単一の構成単位としてしか制御できないことである。その結果、光パターンは完全にオンにし、完全にオフにし、又は調光することができるが、動的に変えることはできない。対照的に、本実施形態によるアレイ内の各VCSELレーザは、光学素子のセルレベルで制御がなされるため、個々に制御することができ、例えばDOEの適切な設計が、様々な使用事例及びフィードバックのための柔軟な検出をもたらすことができる動的光パターンを与え得る。以下、「セル」という用語は、単一のレーザ、又は一緒に動作してパターンの特定の部分を与える任意のレーザ群によって動作可能な面に関する。パターンを変更するとセル構造も動的に変わり得る。
A typical structure includes stripes, grids, and dots.
As previously mentioned, the problem of using a single source emitter, such as an edge emitting laser diode, is that the light pattern produced by the single source emitter can only be controlled as a single building block. As a result, the light pattern can be fully turned on, completely turned off, or dimmed, but cannot be changed dynamically. In contrast, each VCSEL laser in the array according to this embodiment is controlled at the cell level of the optical element and can therefore be controlled individually, for example, the proper design of the DOE can be used for various use cases and feedback. May provide a dynamic light pattern that can provide flexible detection for. Hereinafter, the term “cell” relates to a surface operable by a single laser or any group of lasers that work together to provide a particular portion of a pattern. Changing the pattern can change the cell structure dynamically.

回折光学素子の代わりに、屈折素子又は回折素子と屈折素子との組合せを使用しても良い。
一実施形態によれば、セル及び/又はセルの光学素子が大きさによって制限される場合があり、例えばセルは約1mm未満の大きさであり得る。
Instead of the diffractive optical element, a refractive element or a combination of a diffractive element and a refractive element may be used.
According to one embodiment, the cell and / or the optical elements of the cell may be limited by size, for example, the cell may be less than about 1 mm in size.

より詳細には、本実施形態は、動的光パターンを作り出すためにVCSELアレイを使用できるようにする汎用レンズ/DOEの設計に関する。DOEの面がアレイ/マトリクスの面に平行であるように、DOEはVCSELアレイに隣接する表面上に位置する。本実施形態では、DOEの表面がセルに分割される。各セルは、単一のVCSELレーザ又は一緒に制御することを意図するVCSELのサブグループ上に位置する領域を表す。明瞭にするために、グループ又はサブグループ内のレーザは、他のグループ又はサブグループ内のレーザとは別に、一緒に制御される。   More particularly, this embodiment relates to a general purpose lens / DOE design that allows a VCSEL array to be used to create a dynamic light pattern. The DOE is located on the surface adjacent to the VCSEL array so that the DOE plane is parallel to the array / matrix plane. In the present embodiment, the surface of the DOE is divided into cells. Each cell represents a region located on a single VCSEL laser or sub-group of VCSELs that are intended to be controlled together. For clarity, the lasers in a group or subgroup are controlled together separately from the lasers in other groups or subgroups.

所要の構造化光パターンの一部を作る固有の回折パターンをセルごとに設計することができる。各セルの回折パターンに従ってVCSELレーザによって生成される個々のパターンは、構造化光のサブパターンを作る。次いで、例えばタイリング(tiling)、オーバラッピング、又は個々の特徴を位置決めするための他の方法により、個々のセルのパターンから全体的なパターンを形成する。   A unique diffraction pattern that forms part of the required structured light pattern can be designed for each cell. The individual patterns produced by the VCSEL laser according to the diffraction pattern of each cell create a sub-pattern of structured light. The overall pattern is then formed from the pattern of individual cells, for example by tiling, overlapping, or other methods for positioning individual features.

各セルの設計は2つの光機能を含み得る。第1の位置決め機能は、全構造化光画像内の光の特徴の位置を決める。例えば、かかる位置決め機能は、所要のパターン内のタイルの実際の位置まで回折光の位置を曲げるプリズムブレーズド格子(prism blazed grating)からなり得る。第2の光機能は、光の特徴の形状に関する。かかる光機能の例には、ラインジェネレータ(line generator)、多重スポットパターン、又は光パターンの他の特徴若しくは下位特徴が含まれ得る。   Each cell design may include two optical functions. The first positioning function determines the position of the light feature in the entire structured light image. For example, such a positioning function may consist of a prism blazed grating that bends the position of the diffracted light to the actual position of the tile in the required pattern. The second light function relates to the shape of the light feature. Examples of such light functions may include line generators, multiple spot patterns, or other features or subfeatures of light patterns.

VCSELレーザマトリクスとセルベースのDOEとを適切に整列させることにより、全アレイの隣接ガウスビーム形状が単一光源のパースペクティブとして回避されるため、如何なるパターンも実現可能であり得る。   By properly aligning the VCSEL laser matrix and the cell-based DOE, any pattern may be feasible because the adjacent Gaussian beam shape of the entire array is avoided as a single light source perspective.

別の実施形態では、動的光パターンが提示される。適切な位置においてDOEに様々な電流を加えることにより、各セルを出力強度の点で個々に制御することができ、従って構造化光パターン内の様々な特徴も制御することができる。   In another embodiment, a dynamic light pattern is presented. By applying various currents to the DOE at the appropriate location, each cell can be individually controlled in terms of output intensity, and thus various features within the structured light pattern can also be controlled.

追跡中にセルパターンを変えることを意味する動的制御は様々な機能を使用可能にする。つまり、受信データに応じて各セルの光学素子を動的に、例えばレーザの初期構成で始まる順序で変更することができる。シーンのフレームを捕捉し、そのフレームは例えば画素の二次元配列である。受け取ったフレームを解析する。次いで、解析したフレームに基づいて新たなレーザ構成に到達する。サイクルが続くとき、その新たなレーザ構成が次の段階の初期構成になる。図19に関して一例を図示し以下で説明する。例えば、あり得るVCSELの強度を変えることにより、各見える光の特徴の源を確認することができる。このような確認は三角測量に基づく深度検出方法において非常に有用である。更なる機能は、光パターンの密度を変える能力である。密度を変えることは、事象が大まかにマップされた後、より高分解能でサンプリングすることを可能にし、カメラ設定又は照明条件、反射率等の他の事象効果によって引き起こされる強度の誤りを補正することができる。更に、光パターン内の特徴の向きを変えることもできる。強度又は向きを変えることは、上記のように事実上新たなパースペクティブであるものから、及びカメラから受け取ったデータに従って、シーンを処理する追加の機会を画像処理ソフトウェアに与える方法を提供する。   Dynamic control, which means changing the cell pattern during tracking, enables various functions. That is, the optical elements of each cell can be dynamically changed according to the received data, for example, in the order starting with the initial laser configuration. A frame of the scene is captured and the frame is, for example, a two-dimensional array of pixels. Analyze the received frame. A new laser configuration is then reached based on the analyzed frame. As the cycle continues, the new laser configuration becomes the initial configuration for the next stage. An example is shown and described below with respect to FIG. For example, by changing the intensity of possible VCSELs, the source of each visible light feature can be identified. Such confirmation is very useful in the depth detection method based on triangulation. A further function is the ability to change the density of the light pattern. Changing the density allows for sampling at a higher resolution after the event is roughly mapped, and corrects intensity errors caused by other event effects such as camera settings or lighting conditions, reflectivity, etc. Can do. Furthermore, the orientation of the features in the light pattern can be changed. Changing the intensity or orientation provides a way to give the image processing software additional opportunities to process the scene from what is effectively a new perspective as described above and according to the data received from the camera.

次に図1を参照し、図1は本実施形態によるパターン光を用いた三次元追跡用の装置の基本構成を示す単純化した概略図である。この図面及び他の図面では、点線及び断線は文脈によって与えられる概念上及び構造上の線を表し、必ずしも個々の実施形態で目に見える物理的な線ではないことを理解すべきである。   Reference is now made to FIG. 1, which is a simplified schematic diagram illustrating the basic configuration of a three-dimensional tracking apparatus using pattern light according to the present embodiment. In this and other drawings, it should be understood that dotted and broken lines represent conceptual and structural lines given by context and are not necessarily physical lines visible in individual embodiments.

図1の構成では、発光アレイ、例えばVCSELアレイ10とすることができるレーザアレイが、レーザマトリクス12.1.1...12.n.nを含む。光学素子14が、個々のレーザからの光を変調するよう個々のセルが位置するようにレーザの外部に整列されるセル16.1.1...16.n.nを構成する。各レーザは、例えば回折光学素子の分離セルを有し、各分離セルは異なる回折パターンを有する。セル16の拡大表示18は、独自の回折パターンをそれぞれ有する4つの回折素子を示す。従って、回折光学素子はセルごとに1つ、複数の個々の設計を有し、各設計は1つのVCSELレーザの光を回折する。   In the configuration of FIG. 1, a laser array, which can be a light emitting array, for example a VCSEL array 10, is provided in the laser matrix 12.1.1. . . 12 n. n is included. A cell 16.1.1.1 in which the optical element 14 is aligned outside the laser so that the individual cells are positioned to modulate the light from the individual lasers. . . 16. n. n. Each laser has, for example, a separation cell of diffractive optical elements, and each separation cell has a different diffraction pattern. The enlarged display 18 of the cell 16 shows four diffractive elements each having its own diffraction pattern. Thus, the diffractive optical element has a plurality of individual designs, one for each cell, each design diffracting the light of one VCSEL laser.

この設定は、レーザアレイから構造化光パターンを発生させることができ、かかる光パターンは、三次元空間内の対象及びシーンの一部を追跡するために三次元空間内に投影される。構造化光パターンは、パーズされて(parsed)コンピュータに深度情報を与えることができる任意の適切なパターンとすることができ、ストライプ、グリッド、及び/又はドット領域を含むパターンを含む。   This setting can generate a structured light pattern from the laser array that is projected into the three-dimensional space to track objects and a portion of the scene in the three-dimensional space. The structured light pattern can be any suitable pattern that can be parsed to provide depth information to the computer, including patterns that include stripes, grids, and / or dot areas.

セルは、レーザアレイの部分集合と整列され、各セルは通過する光に回折変調を個々に施し、それにより各部分集合は構造化光パターンの区別可能な部分をもたらす。
セル16.1.1...16.n.nは、回折変調を変更するように個々に制御可能である。従って、パターンの様々な部分が異なるようにすることができ、様々な状況で又はシーンの様々な部分で異なる構造化光パターンを使用することができる。
The cells are aligned with the subsets of the laser array, each cell individually applying diffractive modulation to the light passing therethrough, whereby each subset provides a distinguishable portion of the structured light pattern.
Cell 16.1.1. . . 16. n. n can be individually controlled to change the diffraction modulation. Thus, different parts of the pattern can be different and different structured light patterns can be used in different situations or in different parts of the scene.

セルは更に、構造化光パターンへの変化をもたらすために動的に制御することができる。従ってパターンは、関心があると見なされるシーンの部分内の分解能を高めるように変化することができ、且つ/又は関心がないと見なされる前述のシーンの部分内の分解能を落とすことができる。或いは、特定の光源がシーンの特定の部分に到達していることを示し、それにより三角測量及び深度推定の更なる手がかりを与えるためにパターンの特定の部分を瞬間的に変えることができる。典型的には強度を変える。つまり変更が、セルに影響を及ぼすレーザアレイの強度を制御することに基づく。代替策として、偏光、フィルタリングパラメータ、焦点距離、又は当業者に明らかな光の他の任意の特徴を変えることができる。   The cell can further be dynamically controlled to effect a change to the structured light pattern. Thus, the pattern can be varied to increase the resolution in the portion of the scene that is deemed interesting and / or can reduce the resolution in the portion of the scene that is deemed not relevant. Alternatively, a particular part of the pattern can be instantaneously changed to indicate that a particular light source has reached a particular part of the scene, thereby providing further clues for triangulation and depth estimation. Typically changes strength. That is, the change is based on controlling the intensity of the laser array that affects the cell. As an alternative, polarization, filtering parameters, focal length, or any other characteristic of light apparent to those skilled in the art can be varied.

強度はパターンの一部又は全体にわたって変えることができる。例えば、シーンの一部を入射光によって明るく照らすことができ、シーンの他の部分を暗く照らすことができる。明るく照らす部分に強い光の狙いを定め、暗く照らす部分に弱い光の狙いを定め、それにより節電することができる。   The intensity can vary over part or all of the pattern. For example, a portion of the scene can be illuminated brightly by incident light, and other portions of the scene can be illuminated darkly. You can aim for strong light on brightly lit parts and aim for weak light on darkly lit parts, thereby saving power.

或いは、以下でより詳細に説明するように、概して追跡及び深度推定のためのシーンの異なるビューを与えるために、パターンの密度を変えることができ、又はパターンの向きを変えることができる。向きに関して、シーンの特徴が所与の向きでより効果的に照らされる場合がある。例えば細長い特徴は、その縦方向に垂直なストライプによって最も効果的に照らされ得る。時間が経つにつれて特徴の向きが変わると、ストライプの方向を更新することができる。特定の特徴をより正確に追跡できるようにするために、又は細かい特徴がビューに入るとき、密度も経時的に変えることができる。   Alternatively, as described in more detail below, the density of the pattern can be varied, or the orientation of the pattern can be varied to provide different views of the scene for tracking and depth estimation in general. With respect to orientation, scene features may be more effectively illuminated in a given orientation. For example, an elongated feature can be most effectively illuminated by a stripe perpendicular to its longitudinal direction. As the feature orientation changes over time, the stripe orientation can be updated. The density can also change over time to allow more specific features to be tracked or when fine features enter the view.

図1に示す部分集合は個々のレーザである。しかし、以下の図面に関して論じるように、代替的な部分集合はレーザの対、レーザの三つ組、異なる大きさのレーザ群の組合せ、及び動的に変化するレーザの組合せを含む。セルは約1mmの大きさとすることができる。   The subset shown in FIG. 1 is an individual laser. However, as discussed with respect to the following figures, alternative subsets include laser pairs, laser triplets, combinations of lasers of different sizes, and dynamically changing laser combinations. The cell can be approximately 1 mm in size.

投影される光は、タイル、オーバラッピング、又は他の任意の適切な構成として組織化され得る。
構造化パターンに基づく追跡の構成はコンピュータに組み込むことができ、コンピュータには、ラップトップコンピュータ、又はタブレット、又はポッドデバイス、又は携帯電話等の移動通信装置、ゲーム機、役者の動きを捕捉するためにアニメータが使用するような装置等の動き捕捉装置、又は三次元内の追跡が有用な入力を与え得る任意の種類の装置が含まれる。
The projected light can be organized as tiles, overlapping, or any other suitable configuration.
The configuration of tracking based on structured patterns can be incorporated into a computer, which captures the movement of laptop computers, or mobile communication devices such as tablets, pod devices, mobile phones, game machines, actors, etc. Motion capture devices, such as those used by animators, or any type of device where tracking in three dimensions can provide useful input.

セル内に単一の回折光学素子を配置する代わりに複数の回折素子を使用しても良く、本明細書内のセルへの如何なる言及も別個の光学素子を付加的に言及するものとして解釈すべきである。   Instead of placing a single diffractive optical element in the cell, multiple diffractive elements may be used, and any reference to a cell in this document is to be interpreted as additionally referring to a separate optical element. Should.

従って本実施形態は、VCSELレーザアレイ及び回折光学素子(DOE)を使用して構造化光パターンを発生させ、構造化光パターンを動的に変えるために各VCSELを個別に制御することを可能にする。   Thus, the present embodiment allows a structured light pattern to be generated using a VCSEL laser array and a diffractive optical element (DOE) and allows each VCSEL to be individually controlled to dynamically change the structured light pattern. To do.

動的制御は、光パターン内の個々の特徴の強度を変えること、特徴の密度若しくは向きを変えること、実際に光パターンの個々の特徴をオン/オフすること、又は構造化光解析からのフィードバックに基づき上記の何れかを変えることを含み得る。例えば以下でより詳細に説明するように、更に高い分解能が必要であることを解析が明らかにする場合は密度を高めることができる。外部照明が読出情報と干渉していることを解析が明らかにする場合は強度が高められる。外部照明からの光反射が問題である場合は光パターンの向きを変えることができる。上記のように、外部照明の問題とは別に、追跡している対象に対してストライプを垂直に保つために、ストライプの向きを変えることが可能である。従って、照明パターンを変えるために事象からのフィードバックを使用する。パターンの影響を受ける部分上の明るさを調節することにより、シーン内の入射照明条件に対処することができる。従って、個々のセルを制御することは、シーンからのフィードバックに基づいてパターンの他ではなく特定の領域を修正することを可能にし得る。パターンは、グリッド、ストライプ、ドット、又は使用され得る他の任意のパターン間で動的に変えることができ、異なるセルは異なるパターンを有することができ、セルは必要に応じて動的に再定義される。   Dynamic control can change the intensity of individual features in the light pattern, change the density or orientation of features, actually turn on / off individual features of the light pattern, or feedback from structured light analysis Changing any of the above based on: For example, as described in more detail below, the density can be increased if the analysis reveals that a higher resolution is required. The intensity is increased if the analysis reveals that the external illumination is interfering with the readout information. If light reflection from external illumination is a problem, the direction of the light pattern can be changed. As mentioned above, apart from the problem of external lighting, it is possible to change the orientation of the stripe in order to keep it perpendicular to the object being tracked. Therefore, feedback from the event is used to change the illumination pattern. By adjusting the brightness on the part affected by the pattern, the incident illumination conditions in the scene can be addressed. Thus, controlling individual cells may allow a specific region to be modified rather than the rest of the pattern based on feedback from the scene. Patterns can be dynamically changed between grids, stripes, dots, or any other pattern that can be used, different cells can have different patterns, and cells can be dynamically redefined as needed Is done.

次に図2を参照し、図2は、図1の構成を使用することができる1つの方法を示す単純化した概略図である。図2では、レーザアレイを数字20で示し、各レーザ22.1.1...22.n.nは単一のセルに対応する。それらのセルは、異なるタイル24.1.1...24.n.nを順方向投影26でそれぞれ照らす。投影26内では、各タイルが異なるパターンを有し、全てのタイルが組み合わさって完全な光パターンを形成する。   Reference is now made to FIG. 2, which is a simplified schematic diagram illustrating one way in which the configuration of FIG. 1 may be used. In FIG. 2, the laser array is indicated by numeral 20 and each laser 22.1.1. . . 22. n. n corresponds to a single cell. Those cells have different tiles 24.1.1. . . 24. n. Each n is illuminated with a forward projection 26. Within the projection 26, each tile has a different pattern and all the tiles combine to form a complete light pattern.

次に図3を参照し、図3は図1の構成の改変形態を示す単純化した概略図であり、セルが2つ以上の、とりわけ図示の事例では3つのVCSELレーザに応じる。図3では、レーザアレイを数字30で示し、個々のレーザが光学素子によって3つのレーザセル32.1〜32.3へと組み合わせられる。それらのセルは、異なるタイルの三つ組34.1...34.nを順方向投影36でそれぞれ照らす。投影36内では、同じ三つ組内の全てのタイルがパターンを共有するが、各三つ組は全体的な投影光パターン36内の異なるパターンを有する。   Reference is now made to FIG. 3, which is a simplified schematic diagram illustrating a variation of the configuration of FIG. 1, which accommodates two or more, and in the illustrated example, three VCSEL lasers. In FIG. 3, the laser array is indicated by numeral 30 and the individual lasers are combined into three laser cells 32.1 to 32.3 by optical elements. Those cells are a triple of different tiles 34.1. . . 34. Each n is illuminated with a forward projection 36. Within the projection 36, all tiles in the same triplet share a pattern, but each triplet has a different pattern in the overall projected light pattern 36.

次に図4を参照し、図4は図1の構成の改変形態を示す単純化した概略図であり、異なるセルが異なる設計及び異なる向きを有する。図4では、レーザアレイを数字40で示し、個々のレーザ42.1.1...42.n.nが1つ及び2つのレーザセルを形成する。それらのセルは、異なるタイル44.1.1...44.n.nを順方向投影46でそれぞれ照らす。投影46内では、タイルの大きさを自由に変えることができ、単一のパターンを共有する2つ分の大きさのセルが1つある。   Reference is now made to FIG. 4, which is a simplified schematic diagram illustrating a variation of the configuration of FIG. 1, with different cells having different designs and different orientations. In FIG. 4, the laser array is indicated by numeral 40 and the individual lasers 42.1.1. . . 42. n. n forms one and two laser cells. Those cells are different tiles 44.1.1. . . 44. n. Each n is illuminated with a forward projection 46. Within the projection 46, the size of the tiles can be freely changed, and there is one cell of two sizes that share a single pattern.

次に図5を参照し、図5は図1の構成の更なる改変形態を示す単純化した概略図であり、図5では各セルが、必ずしも別々のタイル構造に組織化されていないパターンの様々な光の特徴を作り出すことを担う。図5では、レーザアレイを数字50で示し、個々のレーザ52.1.1...52.n.nが個々の一つのレーザセルを形成する。レーザ52.1.1は順方向投影56でタイルの三つ組54.1を照らし、そのタイルの三つ組にわたる水平線をもたらす。   Reference is now made to FIG. 5, which is a simplified schematic diagram illustrating a further variation of the configuration of FIG. 1, in which each cell is a pattern of patterns not necessarily organized into separate tile structures. Responsible for creating various light features. In FIG. 5, the laser array is indicated by numeral 50 and the individual lasers 52.1.1. . . 52. n. n forms one individual laser cell. Laser 52.1.1 illuminates tile triple 54.1 with forward projection 56, resulting in a horizontal line across the tile triple.

次に図6を参照し、図6は、本発明の実施形態による追跡用の例示的システムを示す単純化した概略図である。VCSELアレイ60がレーザ光を作り出し、3Dボリューム64内に照らされるパターンを形成するようにそのレーザ光が光学素子62によって変調される。カメラ66が3Dボリュームをモニタし、プロセッサ68によって解析される画像フレームを作り出す。以下でより詳細に説明するように、プロセッサ68は、追跡すること、及び追跡を改善するために光変調を修正することの両方を行う。プロセッサは、モバイル装置のプロセッサ等、外部のプロセッサとすることができる。カメラは、デジタルカメラ又は例えば相補型金属酸化膜シリコン(CMOS:complementary metal oxide silicon)アレイに基づき得る任意の画像センサとすることができる。フレームが解析されるとプロセッサがレーザをしかるべく制御するように、プロセッサはカメラ及びレーザの両方に接続することができる。   Reference is now made to FIG. 6, which is a simplified schematic diagram illustrating an exemplary system for tracking according to an embodiment of the present invention. The VCSEL array 60 produces laser light that is modulated by the optical element 62 to form a pattern that is illuminated within the 3D volume 64. A camera 66 monitors the 3D volume and produces an image frame that is analyzed by the processor 68. As described in more detail below, the processor 68 both tracks and modifies the light modulation to improve tracking. The processor can be an external processor, such as a processor of a mobile device. The camera can be a digital camera or any image sensor that can be based on, for example, a complementary metal oxide silicon (CMOS) array. The processor can be connected to both the camera and the laser so that when the frame is analyzed, the processor controls the laser accordingly.

次に図7を参照し、図7は、投影パターンを形成するためにレーザアレイ72を使用する単一の光学セル若しくは下位光学セル70又は図1に示す18等の幾つかのセルからのレーザ光を変調するのに使用可能な、光学素子の様々な光機能である様々な操作を示す単純化した概略図である。或る特定のセルが、ビームの位置を修正することを可能にすることができ(76)、又はビームの位相を修正することができ(78)、焦点を修正することができ(80)、ビームの形状を修正することができ(82)、ビームの強度を修正することができ(84)、若しくはビームの偏光を修正することができる(86)。上記に挙げたものは網羅的な一覧ではなく、他の修正形態が当業者に明らかになる。加えて、光機能は単一の光学素子によって、又は図11に示すように複数の光学素子によって使用されても良く、焦点や形状等の複数の機能がセル要素に組み込まれる。   Reference is now made to FIG. 7, which shows a laser from a single optical cell or sub-optical cell 70 or several cells such as 18 shown in FIG. 1 that use the laser array 72 to form a projection pattern. FIG. 6 is a simplified schematic diagram illustrating various operations that are various optical functions of an optical element that can be used to modulate light. Certain cells can be allowed to modify the position of the beam (76), or the phase of the beam can be modified (78), the focus can be modified (80), The shape of the beam can be modified (82), the intensity of the beam can be modified (84), or the polarization of the beam can be modified (86). The above is not an exhaustive list and other modifications will be apparent to those skilled in the art. In addition, the optical function may be used by a single optical element or by a plurality of optical elements as shown in FIG. 11, and multiple functions such as focus and shape are incorporated into the cell element.

次に図8を参照し、図8は、光ビームの向きを変える光学素子90を示す。装置本体から現れる特徴92が光ビームの向きの変化を引き起こし、特徴92は構造にもよるが、屈折、回折、又は屈折と回折との組合せにより得る。図示の例では、歯のような形が下方に傾斜する上面と水平の下面とを有する鋸歯状の構成が光を下方に曲げる。   Reference is now made to FIG. 8, which shows an optical element 90 that changes the direction of the light beam. A feature 92 emerging from the device body causes a change in the direction of the light beam, which may be obtained by refraction, diffraction, or a combination of refraction and diffraction, depending on the structure. In the illustrated example, a saw-tooth configuration with a tooth-like shape having an upper surface that slopes downward and a horizontal lower surface bends light downward.

次に図9を参照し、図9は、光ビームの焦点を合わせるための構造94を示す。特徴96は、図8と同様に鋸歯状の構成で配置されるが、歯のような特徴の向きが構造の下半分で逆になっており、ビームの上半分と下半分とが焦点98において合うようにしてある。   Reference is now made to FIG. 9, which shows a structure 94 for focusing the light beam. Features 96 are arranged in a serrated configuration, similar to FIG. 8, but the orientation of the tooth-like features is reversed in the lower half of the structure, with the upper and lower halves of the beam at the focal point 98. It fits.

次に図10を参照し、図10は、ビームを成形するための光学素子の改変形態100を示す単純化した図である。他のビームと区別する方向にビームを成形するために、予め設定されたランダム関数を使用して光学素子の表面102を定める。   Reference is now made to FIG. 10, which is a simplified diagram illustrating an optical element modification 100 for shaping a beam. In order to shape the beam in a direction that distinguishes it from the other beams, the surface 102 of the optical element is defined using a preset random function.

次に図11を参照し、図11は、セル又はサブセルに関係することができ、前の3つの図面の光学素子を組み合わせた光学素子110を示す単純化した図面である。第1の部分112が、VCSELアレイ113によって作り出されるビームの焦点を合わせる。部分114が、ビームをこの事例では下向きに曲げ、部分116がビームを成形する。   Reference is now made to FIG. 11, which is a simplified drawing illustrating an optical element 110 that can relate to a cell or subcell and combines the optical elements of the previous three figures. The first portion 112 focuses the beam produced by the VCSEL array 113. Portion 114 bends the beam downward in this case, and portion 116 shapes the beam.

次に図12Aを参照し、図12Aは、水平ストライプのパターン122によって追跡されている手120を示す。このパターンが指の長さとたまたま一致することが明らかであり、従って指に関して与えられる情報/データが限られており、対象の形状を明らかにすることが困難である。それでもなお、指はシステムがコマンドとして使用するジェスチャを与えるため、多くの場合に非常に肝心な点であり得る。従って、ストライプが指に交差し、その結果より多くの情報を与えるように、システムがストライプの向きを図12Bに示す向きに例えば自動で変えることができる。この変更は、フローチャートに含めた画像解析のフィードバックに基づいて行われる。   Reference is now made to FIG. 12A, which shows the hand 120 being tracked by a pattern 122 of horizontal stripes. It is clear that this pattern happens to coincide with the length of the finger, so the information / data given about the finger is limited and it is difficult to reveal the shape of the object. Nevertheless, the finger can be a very important point in many cases because it gives a gesture that the system uses as a command. Thus, the system can automatically change the orientation of the stripe, for example, to the orientation shown in FIG. 12B so that the stripe crosses the finger and gives more information as a result. This change is made based on the feedback of the image analysis included in the flowchart.

図13から図17は、追跡を改善するために光パターンに加えることができる様々な変更を示す。図13は、ストライプの向きを前の図面と同様に水平から垂直に変えることを示す。図14は、視野を狭めることを示す。狭めることは、例えば関心がある特徴が指である場合に有用であり得る。指が見つかると、指に集中するために視野を狭めることができる。   Figures 13 through 17 show various changes that can be made to the light pattern to improve tracking. FIG. 13 shows changing the orientation of the stripe from horizontal to vertical as in the previous drawing. FIG. 14 shows narrowing the field of view. Narrowing can be useful, for example, when the feature of interest is a finger. When a finger is found, the field of view can be narrowed to concentrate on the finger.

図15は、ストライプの密度を高めることを示す。図16は、純粋なストライプから断線に形状を変えることを示す。図17は強度を変えることを示す。第1の画像内の低強度の線が、第2の画像内の高強度の線に変わり、その逆も同様である。低密度の線と高密度の線とを適切に選択することは、深度次元内で対象を追跡するために使用することができる。   FIG. 15 shows increasing the density of the stripes. FIG. 16 shows changing the shape from a pure stripe to a broken line. FIG. 17 shows changing the intensity. A low intensity line in the first image changes to a high intensity line in the second image, and vice versa. Proper selection of low density lines and high density lines can be used to track objects in the depth dimension.

次に図18を参照し、図18は、図2の実施形態を用いて明るい対象及び暗い対象をどのように追跡できるのかを示す。図2と同じ部分には同じ参照番号を与え、本実施形態の理解に必要な場合を除き再度説明していない。図18では、明るい色の対象180がセル領域24.11内にある。ストライプの強度が落とされている。対照的に、暗い色の対象182がセル領域24.2.3内にある。暗い対象については強度が高められている。異なるセルは独立に動作することができ、各領域はそれぞれ追跡している対象に合わせて適切に反応する。   Reference is now made to FIG. 18, which shows how bright and dark objects can be tracked using the embodiment of FIG. The same parts as those in FIG. 2 are given the same reference numerals, and are not described again unless necessary for understanding the present embodiment. In FIG. 18, the bright color object 180 is in the cell region 24.11. The stripe strength is reduced. In contrast, a dark object 182 is in the cell region 24.2.3. The intensity is increased for dark objects. Different cells can operate independently, and each region responds appropriately to the object being tracked.

次に図19を参照し、図19は、本発明の一実施形態によるセル内のパターンを修正するための手順を示す単純化したフローチャートである。特定のセルが初期構成でサイクルを開始する(190)。フレームを捕捉し(192)、解析する(194)。解析から、定義済みの解析ガイドライン198に基づいて新たなレーザ構成を決定する(196)。つまり或る特定の状況について、定められたパターンの変化があり、その定められた変化はフレーム内の対象に関するより多くの情報を得ることができる。その後、新たなレーザ構成が次のフレームの初期レーザ構成になる。   Reference is now made to FIG. 19, which is a simplified flowchart illustrating a procedure for modifying a pattern in a cell according to one embodiment of the present invention. A particular cell begins a cycle with an initial configuration (190). The frame is captured (192) and analyzed (194). From the analysis, a new laser configuration is determined based on predefined analysis guidelines 198 (196). That is, for a particular situation, there is a defined pattern change, which can provide more information about the object in the frame. Thereafter, the new laser configuration becomes the initial laser configuration for the next frame.

用語「包含する」、「包含している」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、及びその同根語は「〜を含むがそれだけに限定されない」という意味である。
用語「〜からなる」は、「〜を含みそれに限定される」という意味である。
The terms “including”, “including”, “including”, “including”, “having”, and their equivalents mean “including but not limited to”.
The term “consisting of” means “including and limited to”.

明瞭にするために別々の実施形態を検討する中で説明した本発明の特定の特徴は、単一の実施形態の中で組み合わせて提供しても良く、上記の説明は、その組合せが明確に書かれているかのように解釈されるべきであることが理解されよう。逆に、簡潔にするために単一の実施形態を検討する中で説明した本発明の様々な特徴も、本発明の他の任意の記載した実施形態の中で別々に、任意の適切な部分的組合せで、又は適切なように提供することができ、上記の説明はそれらの別々の実施形態が明確に書かれているかのように解釈されるべきである。様々な実施形態を検討する中で説明した特定の特徴は、実施形態がかかる要素なしでは機能できない場合を除き、それらの実施形態に不可欠な特徴であると解釈すべきではない。   Certain features of the invention described in discussing separate embodiments for clarity may be provided in combination in a single embodiment, and the above description clearly illustrates the combination. It will be understood that it should be interpreted as if it were written. On the contrary, the various features of the invention described in discussing a single embodiment for the sake of brevity are also considered separately from any other described embodiments of any suitable part. The above description should be construed as if the separate embodiments are clearly written. Certain features described in discussing various embodiments should not be construed as essential features in those embodiments, unless the embodiment is unable to function without such elements.

本発明をその具体的実施形態と共に説明してきたが、多くの代替形態、修正形態、及び改変形態が当業者に明らかになることが明白である。従って、添付の特許請求の範囲の趣旨及び広い範囲に含まれるそのような全ての代替形態、修正形態、及び改変形態を包含することを意図する。   While the invention has been described with specific embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications, and variations will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, it is intended to embrace all such alternatives, modifications and variations that fall within the spirit and broad scope of the appended claims.

本明細書で言及した全ての刊行物、特許、及び特許出願は、それぞれの刊行物、特許、又は特許出願が参照により本明細書に援用されるように具体的且つ個別に示されている場合と同程度に、参照によりその全体を本明細書に援用する。加えて、本願における如何なる参考文献の引用又は確認も、かかる参考文献が従来技術として本発明で利用可能であることを認めるものとして解釈すべきではない。段落の見出しが使用される限り、それらの見出しは必ずしも限定的であるものとして解釈すべきではない。   All publications, patents, and patent applications mentioned in this specification are specifically and individually indicated as if each publication, patent, or patent application was incorporated herein by reference. To the same extent, are incorporated herein by reference in their entirety. In addition, citation or identification of any reference in this application shall not be construed as an admission that such reference is available as prior art to the present invention. As long as paragraph headings are used, they should not necessarily be construed as limiting.

Claims (20)

装置であって、
複数の光学素子であって、前記複数の光学素子の各々はセルを含み、前記セルが、レーザアレイの部分集合と整列され、前記セルは、該セルを通過する光に対して動的に変調を加えて構造化光パターンの区別可能な部分を形成するように個々に制御可能である、前記複数の光学素子と、
前記セルを通過する光の変調を動的に調整して前記構造化光パターンの対応する部分における変化に影響を与えるように1つまたは複数の指示を前記セルに提供するように構成されたプロセッサと
を備える、装置。
A device,
A plurality of optical elements, each of the plurality of optical elements including a cell, the cell being aligned with a subset of the laser array, wherein the cell is dynamically modulated with respect to light passing through the cell; The plurality of optical elements that are individually controllable to form a distinguishable portion of the structured light pattern in addition to
A processor configured to provide one or more instructions to the cell to dynamically adjust the modulation of light passing through the cell to affect changes in corresponding portions of the structured light pattern A device comprising:
前記変調が、回折変調、屈折変調、及び回折変調と屈折変調との組合せからなる群から選択される、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the modulation is selected from the group consisting of diffractive modulation, refractive modulation, and a combination of diffractive and refractive modulation. 前記複数の光学素子が単一の成形素子から構築される、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the plurality of optical elements are constructed from a single molding element. 前記セルの幅が1mm以下である、請求項1に記載の装置。 The apparatus according to claim 1, wherein the width of the cell is 1 mm or less. 前記光学素子の幅が1mm以下である、請求項1に記載の装置。 The apparatus according to claim 1, wherein the width of the optical element is 1 mm or less. 前記セルは、前記構造化光パターンの位置および前記構造化光パターンの形状の変更に影響を与えるように制御可能である、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the cell is controllable to affect a change in a position of the structured light pattern and a shape of the structured light pattern. 動的に加えられる変調は、シーンの一部に前記構造化光パターンの高い分解能を適用し、前記シーンの他の部分に前記構造化光パターンの低い分解能を適用する、請求項1に記載の装置。 The dynamically applied modulation applies a high resolution of the structured light pattern to a part of a scene and applies a low resolution of the structured light pattern to another part of the scene. apparatus. 前記構造化光パターンに対して動的に加えられる変調が、前記構造化光パターンの向きに対するセルに関する変更を含む、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the dynamically applied modulation to the structured light pattern includes a cell change to the orientation of the structured light pattern. 動的に加えられる変調が、強度の変更、偏光の変更、フィルタリングパラメータの変更、及び焦点の変更を含む群から選択される、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the dynamically applied modulation is selected from the group comprising a change in intensity, a change in polarization, a change in filtering parameters, and a change in focus. 前記レーザアレイの前記部分集合が、個々のレーザ、レーザの対、レーザの三つ組、異なる大きさのレーザの組合せ、及び動的に変化するレーザの組合せからなる群から選択される、請求項1に記載の装置。 The subset of the laser array is selected from the group consisting of individual lasers, laser pairs, laser triplets, combinations of lasers of different sizes, and combinations of dynamically changing lasers. The device described. 前記レーザアレイの前記部分集合から投影される光がタイル化される、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein light projected from the subset of the laser array is tiled. 前記レーザアレイは、前記構造化光をシーンに投影するように構成されている、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the laser array is configured to project the structured light onto a scene. 前記レーザアレイが、レーザバーおよび垂直キャビティ面発光レーザ(VCSEL)アレイからなる群から選択されたソースを含む、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the laser array comprises a source selected from the group consisting of a laser bar and a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) array. 前記装置が、コンピュータ、ラップトップコンピュータ、移動通信装置、タブレット装置、ゲーム機、及び動き捕捉装置からなる群のうちの何れかの要素に組み込まれる、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the apparatus is incorporated into any element of the group consisting of a computer, a laptop computer, a mobile communication device, a tablet device, a game console, and a motion capture device. 方法であって、
レーザアレイの部分集合からの光を投影するステップと、投影される光は、前記レーザアレイの前記部分集合と整列されたセルを含む複数の光学素子を通過し、前記セルは個々に制御可能であり、
前記セルを通過する投影された光に対して動的に変調を加えて構造化光パターンの区別可能な部分を形成するステップと
を含む、方法。
A method,
Projecting light from a subset of the laser array, and the projected light passes through a plurality of optical elements including cells aligned with the subset of the laser array, the cells being individually controllable Yes,
Dynamically modulating the projected light passing through the cell to form a distinguishable portion of the structured light pattern.
動的に変調を加えることは、投影される光に変調を加えることを含み、前記変調は、光を回折させること、光を偏光させること、光の波長を変更すること、光のフィルタリングパラメータを変更すること、光の強度を変更することを含む群から選択される、請求項15に記載の方法。 Dynamically modulating includes modulating the projected light, said modulating diffracting the light, polarizing the light, changing the wavelength of the light, changing the light filtering parameters. The method of claim 15, wherein the method is selected from the group comprising changing, changing light intensity. 前記構造化光パターンを動的に変更することをさらに含み、前記構造化光を動的に変更することは、前記レーザアレイの前記部分集合からの投影された光に加えられる変調を変更することを含む、請求項15に記載の方法。 Further comprising dynamically changing the structured light pattern, wherein changing the structured light dynamically changes the modulation applied to the projected light from the subset of the laser array. The method of claim 15 comprising: 前記構造化光パターンを動的に変更することが、シーンの一部内の分解能レベルを高めること、前記シーンの異なる部分内の分解能レベルを落とすことを含む、請求項17に記載の方法。 The method of claim 17, wherein dynamically changing the structured light pattern includes increasing a resolution level in a portion of a scene and decreasing a resolution level in a different portion of the scene. 前記構造化光パターンを動的に変更することが、前記構造化光パターン内のパターニングの密度を変更することを含む、請求項17に記載の方法。 The method of claim 17, wherein dynamically changing the structured light pattern comprises changing a patterning density within the structured light pattern. 装置であって、
レーザアレイの個々の部分集合と整列された複数のセルであって、各セルは、個々に制御可能であり、かつ前記レーザアレイの個々の部分集合から前記セルを通過する光に対して動的に変調を加えて構造化光パターンの区別可能な部分を提供するように構成され、前記複数のセルに加えられる変調は初期の変調を表す、前記複数のセルと、
少なくとも1つのキャプチャしたフレームを分析することに基づく第2の変調構成を決定するように構成されたプロセッサとを備え、前記第2の変調構成は、前記初期の変調とは異なる変調を記述し、
前記複数のセルは、前記セルを通過する光の変調を動的に調整して前記セルに第2の変調を加えるように構成されている、装置。
A device,
A plurality of cells aligned with individual subsets of the laser array, each cell being individually controllable and dynamic with respect to light passing through the cells from the individual subset of the laser array The plurality of cells configured to provide a distinct portion of the structured light pattern by applying modulation to the plurality of cells, wherein the modulation applied to the plurality of cells represents an initial modulation;
A processor configured to determine a second modulation configuration based on analyzing at least one captured frame, wherein the second modulation configuration describes a modulation different from the initial modulation;
The apparatus is configured to dynamically adjust a modulation of light passing through the cell to apply a second modulation to the cell.
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